21_Expluatatsia_parovykh_kotlov-ispravlennoe

571

При этом в последующей поверхности воздухоподогревателя умень- шаются тепловосприятие и уровень tг.в из-за снижения температурного напо-

ра. В результате температура ϑух все же окажется ниже исходной, что свиде-

тельствует о некотором росте КПД котла. Такое явление нельзя считать нор- мальным, так как отключение ПВД сопровождается более заметным сниже- нием КПД турбинной установки и, следовательно, всего энергоблока в целом.

Отключение ПВД приведет к изменению теплового режима поверхно- стей котла. Снижение энтальпии питательной воды hп.в при сохранении пара-

метров (давления и температуры) перегретого пара и его энтальпии hп.п ведет к росту удельного тепловосприятия 1 кг рабочей среды в котле hк = hп.п − hп.в

и соответствующему увеличению расхода топлива на котел. В случае аварий- ного отключения ПВД без необходимости повысить электрическую мощ- ность работающей турбины одновременно с понижением температуры hп.в

должно произойти снижение расхода пара в голову турбины примерно на 17%, что обеспечивается сохранением на барабанном котле расхода сжигае- мого топлива. В прямоточном котле изменяется установленное соотношение Вк /Gп.в ввиду работы котла в нерасчетном режиме, которое увеличится (воз-

растает расход топлива на 1 кг поступающей питательной воды).

21.3. Переходные процессы в котле при изменении нагрузки

По условиям эксплуатации часто приходится изменять режимы работ парового котла, переходя от одной нагрузки к другой. При этом временно мо- гут изменяться тепловые характеристики поверхностей и выходные парамет- ры пара (его давление и температура). Режимы работы котла в процессе из- менения нагрузки называют переменными. Каждый из этих режимов через какой-то период времени становится установившимся. Переход во времени от одного установившегося режима к другому установившемуся режиму назы- вают переходным (неустановившимся или нестационарным).

В нестационарном режиме часть массы вещества (вода, пар) и энергия (тепловая энергия) временно накапливается (аккумулируется) или расходует- ся в элементах парового котла, увеличивая (или уменьшая) его внутреннюю энергию Qвн и массу рабочего вещества Gвн . Уравнения теплового и матери-

ального балансов для нестационарных процессов записываются в следующем виде:

G − D − G =						d			(G	);
пост	отд		пот			d	τ		вн	(21.8)
				d
η Q	− Q	=			(Q				),
к пост	отд			dτ		вн

572

где Gпост и Qпост – количество поступивших в котел воды и теплоты; Dотд и Qотд – количество отданных котлом пара и теплоты; Gвн и Qвн – количество

массы вещества и теплоты, содержащихся в котле; Gпот – потери вещества

(рабочей среды) из тракта котла.

Паровой котел в любом рабочем режиме содержит в себе определенное количество воды, пара, массу металла поверхностей нагрева и других элемен- тов водопарового тракта при рабочей их температуре, т. е. обладает известной тепловой энергией, аккумулированной в указанных его элементах. Количест- во аккумулированной в котле теплоты в стационарном режиме составляет:

Qвн = Gмcмtм +Vвρвcвtв +Vпρпcпtп ,

(21.9)

где индексы «мм», «в», «п» обозначают соответственно металл, воду и пар; V , ρ – объем, м3, и плотность, кг/м3 , воды и пара в трубной системе в преде- лах котла; с – теплоемкость; Gм – общая масса металла котла, кг.

При переходе от одного стационарного режима к другому изменяется тепловой режим котла и при этом выделяется или поглощается теплота в ко- личестве ±Qвн .

Аккумулирующая емкость различных типов паровых котлов неодина- кова. Так, в состав котла с естественной циркуляцией входит барабан с очень большой массой металла (до 100 т и более) и развитой системой опускных труб. При высокой кратности циркуляции паросодержание в экранных трубах невелико, а масса воды в барабане, опускных и экранных трубах весьма зна- чительна. В то же время экранные трубы прямоточного котла заметно мень- шего диаметра (меньше масса металла) и массовое содержание в них рабочей среды существенно меньше. Дополнительно в условиях прямоточного движе- ния в трубах экранных поверхностей существенно выше паросодержание, а пар, как известно, имеет меньшую плотность и теплоемкость, т. е. заметно меньший запас теплоты в единице массы.

Проведенные расчеты показывают, что полная аккумулирующая спо- собность барабанного парового котла примерно в 3 раза превосходит аккуму- лирующую способность прямоточного котла, причем в барабанном котле 70%Qвн заключено в воде, а остальное содержат примерно в равных долях

пар и металл поверхностей, В прямоточном котле СКД около 70%Qвн прихо-

дится на металл (в трубах малого диаметра 32–42 мм при толщине стенки 4–6

мм масса рабочей среды внутри трубы много меньше массы металла) и ос- тавшаяся часть в большей мере определяется водосодержанием котла.

Большая аккумулирующая емкость обеспечивает известную стабилиза- цию режима работы котла, затрудняет его быструю реакцию на изменение внешней нагрузки, но, с другой стороны, при любых неожиданных отказах оборудования позволяет в течение определенного времени поддерживать ре-

573

жим работы, чтобы произвести необходимые переключения. Так, барабанный котел ТП-100 (блок 200 МВт) при погасании факела может обеспечить паро- производительность близкую к номинальной, в течение 50 с за счет допусти- мого (до 15%) снижения давления пара, а при переводе блока в режим собст- венных нужд (снятие внешней электрической нагрузки) – с небольшим рас- ходом пара на турбину – поддерживает этот режим в течение 17–18 мин, дос- таточных для проверки причин ложного срабатывания автоматики. Прямо- точный котел ПК-47 такой же мощности может удержать блок в режиме соб- ственных нужд при погасании факела не более 4 мин.

Различие процессов, протекающих в барабанных и прямоточных котлах в переходных режимах работы, связано с еще одним важным отличием этих котлов: барабан в котле естественной циркуляции фиксирует границы эконо- майзерной, испарительной и перегревательной поверхностей, они не изменя- ются при переходе с одной нагрузки к другой. В прямоточном котле этих гра- ниц нет, зоны фазовых превращений при нарушении стационарного режима работы будут перемещаться вдоль тракта рабочей среды в котле.

Рассмотрим в качестве примера режим увеличения тепловыделения в прямоточном котле (увеличение подачи топлива Вк ) при неизменном расходе

питательной воды Gп.в (рис. 21.6). В этих условиях, ввиду роста теплового

напряжения топочных экранов и теплообмена в конвективных поверхностях пароперегревателя (qл + qл ), произойдет сокращение длины экономайзерно-

го и испарительного трактов (рис. 21.6, б), их границы смещаются навстречу движения потока, а размер перегревательных поверхностей вырастает.

В результате массовое заполнение поверхностей котла рабочей средой уменьшается, так как во втором случае

Vв2ρв +Vп2ρп < Vв1ρв +Vп1ρп

или

Gвн2 < Gвн1 и Gвн = Gвн1 − Gвн2

где Vв1 , Vв2 – объем тракта, заполненного водой, соответственно при нор- мальном и повышенном тепловыделении в топке, м3; Vп1 , Vп2 – то же по паро- вой части тракта, м3; ρв , ρп – средняя плотность воды и пара в тракте, кг/м3.

Уменьшение водосодержания котла приведет к временному увеличе- нию выхода пара Dп (рис. 21.6, в), большему, чем поступает Gп.в :

d	(D ) = G	+	d	(	G	),	(21.10)
dτ	п п.в		dτ		вн

574

В результате на какой-то период времени (II этап) на выходе из котла увеличивается расход пара. Когда стабилизируется положение новых границ фазовых превращений, снова устанавливается материальное равновесие Dп = Gп.в . Но теперь (без воздействия органов регулирования) температура

пара на выходе из котла существенно возрастает, произошло отклонение вы- ходных параметров пара в результате теплового возмущения.

lж	lпж	lпе
Gп.в.			Dп
		qл
	а)
lж	lпж	lпе
Gп.в.			Dп
		qл +	qл
	б)

tп.п
Dп
Bк
Gп.в.
Ι	ΙΙ	ΙΙΙ	τ, мин
		в)
Рис. 21.6. Переходные процессы в тракте прямоточного котла: а – нормальный режим; б –
режим с повышенным тепловосприятием экранов, в – изменение параметров в переходном
процессе

575

Чтобы исключить такой характер процессов в прямоточном котле и практически зафиксировать положение границ фазовых превращений, необ- ходимо соблюдать пропорциональность изменения тепловыделения (расход топлива) и подачи питательной воды в котел, т. е. соблюдать условие Вк /Gп.в = const . В этом случае увеличение тепловыделения с газовой стороны

воспринимается большим расходом рабочей среды, что стабилизирует тепло- вое состояние тракта и параметры пара.

В барабанном котле в рассматриваемом случае процесс будет протекать несколько иначе (рис. 21.7). В результате повышения тепловыделения в топке произойдет дополнительный рост парообразования в экранных трубах, уве- личится паросодержание, а так как объем пара многократно больше объема испарившейся воды, произойдет вытеснение части воды из труб в барабан, в результате чего в нем начнется повышение уровня воды. В дальнейшем из-за превышения расхода пара над подачей воды в барабан уровень начнет сни- жаться и при достижении его нормального значения регулятор питания уве- личит подачу воды в котел. Температура перегретого пара вначале несколько снизится из-за резкого увеличения расхода пара, а затем выйдет на новый ре- жим с несколько повышенной (без воздействия регулятора перегрева) темпе- ратурой пара, что соответствует конвективной характеристике тепловосприя- тия от нагрузки. Для приведения tп.п к номинальному значению включится

система автоматического поддержания температуры пара (см. § 12.3).
Hур
tп.п
Dп
Bк
Gп.в.
Ι	ΙΙ	ΙΙΙ	τ
Рис. 21.7. Переходные процессы в барабанном паровом котле

576

Наличие барабана в котле с естественной циркуляцией снижает ско- рость набора нагрузки в сравнении с прямоточным котлом особенно в ре- жиме пуска из холодного состояния из-за появления в барабане высоких тем- пературных напряжений трех видов:

–по толщине стенки барабана в верхней (паровой) части в периоде конденсации насыщенного пара на внутренней поверхности барабана с боль- шой отдачей теплоты металлу;

–из-за разности температур между верхней и нижней частями барабана, поскольку температура водяного объема достаточно медленно изменяется, а парового – растет по мере увеличения давления насыщенного пара;

–из-за разности температур по длине нижней части барабана при запаз- дывании прогрева торцевых его частей.

Как покачал опыт эксплуатации и испытания барабанов котлов, ско- рость повышения температуры насыщения среды в барабане не должна пре- вышать 2,0–2,5 °С/мин , а перепад температур между верхом и низом бараба- на и по длине барабана не должен превышать 70 °С.

На характер и быстроту изменения параметров в переходном режиме сильное влияние будет оказывать аккумулирующая способность отдельных элементов котла. Она замедляет начало переходного процесса, создает плав- ность изменения характеристик, что облегчает автоматике выравнивать от- клонения параметров. С другой стороны, она обуславливает более высокую инерцию объекта (при большом Qвн ) и тем тормозит переход с одного режима

на другой, снижает, как говорят специалисты, приемистость котла, т.е. быст- роту его реагирования на внешние возмущения.

Так, при резком увеличении электрической нагрузки энергоблоком сис- тема регулирования турбины тут же увеличивает потребление пара, однако топочный режим котла еще не перестроен и возникает разбаланс производст- ва и потребления пара, в результате чего падает давление пара в магистрали и

втракте рабочей среды котла. При большой аккумулирующей способности котла сразу произойдет дополнительное вскипание части кипящей воды в ба- рабане и экранных трубах. Этим на короткое время поддерживается переход на повышенную нагрузку, а затем после форсирования режима работы топки

дополнительные затраты теплоты потребуются на повышение температуры металла, воды и пара и восстановление потерянного давления. Это обстоя- тельство заметно задерживает взятие энергоблоком новой повышенной на- грузки. На прямоточном котле такой переход произойдет много быстрее, хотя

впервый момент времени падение давления перегретого пара произойдет в большей мере.

Способность парового котла изменять выработку пара в соответствии с изменением внешней (электрической) нагрузки называется маневренностью котла. Последняя тем выше, чем меньше аккумулирующая способность кот- ла. Но это обстоятельство требует использования на таком котле более чувст- вительной системы автоматики, чтобы изменения нагрузок не вызывали глу-

577

боких отклонений параметров рабочей среды. Каждый котел по своим конст- руктивным характеристикам и значению аккумулирующей способности име- ет оптимальное значение скорости изменения нагрузки, при которой суммар-

ные тепловые потери в переходном процессе будут наименьшими и значение максимально допустимой скорости изменения нагрузки, выше которой воз- можна аварийная ситуация на котле. Индикатором скорости изменения на- грузки является изменение давления в рабочем тракте котла dр / dτ ,

МПа/мин, поэтому обычно эту характеристику выражают в форме допусти- мой скорости изменения давления (рис. 21.8, а). Обычно допустимые скоро- сти изменения давления находятся в пределах 0,2–0,9% изменения номиналь- ного давления в секунду или в пересчете 1,2–3,0% МПа/мин.

Скорость изменения давления в барабанных котлах ограничивается двумя факторами: подъемом уровня воды в барабане за счет дополнительного вскипания воды в трубах и вытеснения части ее в барабан (рис. 21.8, б) и вскипанием воды в опускных трубах при быстром сбросе давления, что на- рушает циркуляцию (рис. 7.8, в). Обычно эти значения составляют 1–1,2 МПа/мин при высоком давлении пара (14–18 МПа). В прямоточных котлах

предельная скорость понижения давления ограничивается недопустимостью перемещения зоны влажного пара (при испарении пленки воды па поверхно- сти трубы) в НРЧ и составляет 3,5–4,5 МПа/мин. Ввиду малой аккумулирую-

щей способности котла падение давления в нем происходит быстрее и глубже за более короткое время, чем в барабанном.

dp

Hурпр , мм

dp

dT

pном = 3,5МПа

dT

2,5

160

МПа/мин

− 5кДж/кг

2,0

pном = 15МПа

Hурпр

120

2,0

− 2кДж/кг

1,5

10МПа

80

10МПа

1,5

hб = 0

1,0

3,5МПа

40

1,0

0,5

0

3,5МПа

0,5

0

0,5

1,0

D / D0

-40

5 10 15 20 25 30 τ , с

0

0 1

2

3

5

6

W, м/с

а)

б)

в)

Рис. 21.8. Маневренные характеристики барабанного котла: а – скорость изменения давле-

ния при сбросе нагрузки и разном номинальном давлении

рном

за одинаков время (5 мин);

б – изменение уровня воды в барабане во времени при разном номинальном давлении рном

и подъеме нагрузки турбины;

Нурпр

– предельное значение подъема уровня; в – влияние

недогрева воды в барабане

hб

на допустимую скорость понижении давления при разных

значениях скорости в опускных трубах Wоп

Оптимальное изменение нагрузки энергоблока во времени dN / dτ = 3%

номинальной мощности блока в минуту составляет 5–10 МВт/мин. Для бло-

ков СКД номинальной мощностью 500–800 МВт скорость изменения мощно-

сти ограничивается значениями 7–10 МВт/мин. Указанные скорости сущест-

578

венно меньше предельных значений для турбины (20% номинально мощно- сти в минуту). Таким образом, маневренность энергоблока ограничена воз- можностями парового котла.

21.4. Состояние паровых котлов в эксплуатации

Паровые котлы могут находиться в различных состояниях (рис. 21.9). Согласно схеме агрегаты могут находиться в работе, выдавая необходимое количество пара установленных параметров, в резерве – в горячем, если про- должительность нахождения в резерве всего несколько часов (обычно ноч- ных), холодном, когда продолжительность сутки и больше, наконец, в консер- вации, когда агрегат стоит 1–2 недели и больше. В последнем случае прини- мают меры профилактики в отношении стояночной коррозии металла по- верхностей нагрева (см. раздел 10.4).

В ремонт котел, как

правило,

останавливают по

предварительному

плану,

причем различают ремонты

текущие

(профилактиче-

ские), проводимые при-

мерно 1–2 раза в год про-

должительностью

каждый

4–12 дней, и ремонты ка-

питальные (одни в 2–3 го-

да

продолжительностью

Рис. 21.9. Состояние котельного агрегата

20–40

дней). В капиталь-

ные ремонты выполняют промывки котлов, реконструкцию элементов, смену поверхностей нагрева и другие работы. При текущем ремонте выполняют смену быстро изнашивающихся деталей и элементов (в первую очередь го- релок), ревизию арматуры, чистку поверхностей нагрева.

21.5. Пуск парового котла в работу

Пуск котла в работу является наиболее сложной и ответственной опе- рацией, характер которой зависит от способа циркуляции рабочей среды в аг- регате, от состояния, предшествующего пуску, от конструкции его, от форса- жа растопки и ряда других факторов. Так как во время растопки, особенно из холодного состояния, всегда появляется неравномерность прогрева толсто- стенных деталей барабанов, коллекторов и других элементов и сопутствую- щих им тепловых напряжений, то с учетом изложенного, растопка требует к себе особенно внимательного и квалифицированного отношения.

Барабанные и прямоточные котлы имеют свои пусковые особенности, в связи с чем пуск и останов их лучше рассматривать отдельно. Так, для охла-

579

ждения экранов и конвективных поверхностей в котлах с естественной цир- куляцией внутри труб имеется вода, которая при растопке котла прогревает- ся, начинает циркулировать и постепенно доводится до кипения. В котлах с принудительной циркуляцией вода все время прокачивается насосом по тру- бам поверхностей нагрева и в таком принудительно-динамическом состоянии доводится до кипения, полного испарения и перегрева пара.

21.5.1.Пуск котла с естественной циркуляцией при работе на общий паропровод

Перед пуском проверяют наличие воды в котле. Уровень воды в бара- бане, судя по водоуказательным приборам, должен занимать нижнее положе- ние, так как при прогреве, а особенно при парообразовании, объем воды воз- растает и может потребоваться даже частичный ее дренаж.

Далее, растопка котлов ведется, как правило, на таких мобильных топ- ливах, как мазут и природный газ, причем обращается внимание на равно- мерность прогрева топки по ее ширине. До розжига топлива производят вен- тиляцию газоходов, для чего на 10–12 мин ставят котел под разрежение ды- мовой трубы или дымососа. При растопке пусковые процессы производят в таком порядке: после пуска дымососа или открытии тяги дымовой трубы по- дают воздух, создавая вверху топки небольшое разрежение (20–100 Па), и только после этого подают и зажигают топливо. Необходимо принять меры к удалению воздуха из объема барабана, перегревателя и соединительных па- ропроводов, для чего воздушники, установленные в верхних точках парово- дяной системы, держат открытыми, вплоть до появления давления в 0,2–0,4 МПа. Если этого не сделать, то воздух, попадая вместе с первыми порциями пара в турбины, может снизить вакуум в конденсаторе.

При растопке барабанных котлов вода в экономайзере будет постепенно прогреваться и затем испаряться. Для того, чтобы не оставить трубы без ох- лаждения, котлы иногда снабжают растопочным циркуляционным трубопро- водом, соединяющим водяной объем барабана с питательным водяным пат- рубком экономайзера. При растопке линию, по которой идет рециркуляция воды в барабан – экономайзер, держат открытой вплоть до подключения кот- ла в работу.

При растопке барабанных котлов может без охлаждения остаться пере- греватель, что особенно опасно для его радиационной части агрегатов высо- кого давления. Поэтому во время растопки котлов низкого и среднего давле- ний и вплоть до подачи пара в паровую магистраль или на турбину непосред- ственно дренаж перегревателя из выходных его коллекторов держат откры- тым. Продуваемый пар направляется в питательные баки, где и конденсиру- ется. Радиационным перегревателям котлов высокого давления (как, напри- мер, ширмам или панелям топки) такого дренажа для охлаждения недоста- точно, поэтому котел снабжают для охлаждения при растопке особой расто-

580

почной схемой: это циркуляционный насос, который забирает котловую воду из барабана и прогоняет через экономайзер и перегреватель, охлаждая трубки этих элементов.

Промежуточный перегреватель обычно не требует специальной защиты от перегрева труб при пуске котла, так как их змеевиковые пакеты, как пра- вило, размещают в сравнительно невысоких температурных зонах конвектив- ной шахты (не выше 800 °С при номинальной нагрузке).

Продолжительность растопки котла от момента зажигания горелок до включения агрегата под нагрузку должна устанавливаться экспериментально измерением удлинений толстостенных деталей. При этом окончание растопки должно совпадать с окончанием расширения металла этих деталей, обычно длительность растопки котлов колеблется от 0,5 до 4 ч в зависимости от теп- лового состояния агрегата после остановки, мощности и параметров агрегата.

Скорость нагружения барабанного котла также лимитируется допус- каемыми термическими напряжениями и равна 1,5–2 °С/мин по насыщенному пару или 0,3 МПа/мин по давлению.

Включение котла в общий паропровод (см. рис. 15.1, а) производится

после тщательного прогрева и дренирования соединительного паропровода растапливаемого котла. При полном рабочем давлении в котле необходимо проверить нормальное состояние всего агрегата, в частности плотность за- крытия продувочной арматуры, работу водоуказателей, готовность предохра- нительных клапанов.

После подключения котла к общей паропроводной магистрали посте- пенно повышают нагрузку. Длительность повышения нагрузки зависит от те- плового состояния агрегата и требований диспетчерского графика. Аварий- ный сброс нагрузки, например, одновременным отключением всех горелок, безусловно, является вредным для котла из-за резкого изменения температур- ного режима агрегата и без крайней необходимости не должен практиковать- ся.

Все процедуры при останове котлов с естественной циркуляцией осу- ществляются в обратном порядке их пуска.

21.5.2. Пуск барабанных котлов энергоблоков

На рис. 21.10 показана принципиальная тепловая схема энергоблока на любую мощность, имеющего такое основное оборудование: паровой котел, паровая турбина, паропроводы свежего пара и промперегрева, регенеративная установка с оборудованием: поверхностными подогревателями питательной воды низкого и высокого давления, деаэрационная установка и др.

Пуски котлов и турбин относятся к числу нестационарных режимов, во время которых происходят непрерывные и существенные изменения механи- ческого и теплового состояния оборудования. В отличие от схем с общими паровыми магистралями пуск энергоблока (см. рис. 15.1, б) требует совмеще-